인공위성의 구조

 지난 장에서는 우주 비행체의 구조 특성 중 우주 발사체의 구조와 설계 요구 조건, 사용 재료 등에 대해 알아보았습니다. 이번장에서는 인공위성의 구조에 대해 알아보겠습니다.

 

1. 인공위성의 구조

 인공위성은 우주상의 궤도에서 통신 방송, 지구 및 기상의 관측, 우주관측, 항법, 우주정거장 등의 역할을 통해 인류가 필요로 하는 임무를 수행하는 우주 비행체입니다. 인공위성을 궤도로 올리기 위한 수단으로 발사체를 사용하며 발사 후에는 지상의 관제국을 통한 운영이 이루어집니다.

 인공위성은 임무를 수행하는 탑재체와 위성 본체로 이루어지며, 이 중 위성 본체는 내부의 온도를 일정하게 유지하기 위한 열 제어, 위치와 자세를 위한 자세 제어, 전기 공급을 위한 전력계, 이동을 위한 추진계, 통신과 명령을 위한 원격 측정 명령계, 전체 시스템의 통제를 위한 탑재 소프트웨어와 구조 시스템으로 구성됩니다.

구조 시스템은 탑재체 및 위성 본체의 각 부분체를 지지하고 발사체에 연결하는 역할을 수행합니다. 구조 설게는 인공위성의 강도와 강성 요구 조건, 발사체, 탑재체, 지상국 접속 요구 조건을 충족해야 합니다.

 지난장에서 배운 발사체와 마찬가지로 인공위성 구조 설계 역시 필수적으로 고려해야 하는 사항들이 있습니다. 여러 가지가 있지만 몇 가지만 알아보자면 첫째, 구조는 지상 취급, 발사, 위성체 분리, 태양 전지판 등의 분리 과정에서 충분한 강성과 강도를 지녀야 함과 동시에 이러한 범위 내에서 최대한 가볍게 설계되어야 합니다. 둘째, 인공위성 구조는 탑재체, 안테나, 센서 등의 시야각이 쉽게 확보될 수 있어야 하며 궤도상에서 과도한 변형이 발생되지 않도록 해야 합니다.  셋째, 발사 과정 중에 발사체의 모터 또는 엔진으로부터 유기되는 진동 및 공진이 발생하지 않아야 하며 궤도상에서 자세 제어 시스템의 간섭이 없어야 합니다. 넷째, 구조에 사용되는 재료들은 지상 취급, 발사 및 궤도 환경에서 파손, 과도한 변형, 오염 등이 발생하지 않아야 합니다.

 

2. 인공위성의 개발 과정과 요구 조건

 인공위성 개발을 위한 과정으로는 먼저 임무와 탑재체가 정해지면 전체적인 구조 형상을 정합니다. 이때 고려되는 형상은 실린더, 사각 기둥, 육각기둥, 팔각기둥 등의 형상이 있으며, 내부 보강재의 존재 여부에 따라 모노코크 또는 세미 모노코크 구조를 정하게 됩니다. 음향 하중의 영향을 받거나 큰 면외 하중이 작용하는 경우에는 샌드위치 구조를 사용합니다. 

초기 설계 단계에서는 가용한 발사체를 모두 고려하여 강성 요구 조건과 정적 구조 해석을 위한 준정적 하중을 정합니다 위성이 탑재되는 페어링 크기를 고려하여 전체적인 크기를 정하고 탑재체와 위성 본체 부품 등을 배치합니다. 이 결과를 바탕으로 유한요소해석 등을 통해 초기 구조 설계의 실효성을 확인합니다. 이와 같은 과정을 거쳐 최종적으로 발사체와 위성 본체 부품 등이 확정되면 예비 설계를 수행하고 열 구조 모델을 만들어 구조체의 안전성을 검증한 후 비행 모델을 만듭니다. 

설계를 진행하는 과정에서 인공위성의 임무, 사용하는 발사체 등에 따라 여러가지 필요 요구 조건들이 제시되는데, 여기에는 하중, 강성 및 안전계수 등이 있습니다. 하중 요구 조건은 발사체가 준정적 하중으로 제공하고 발사체 종 방향과 횡 방향으로 주어지며 위성의 무게 중심에 작용합니다. 발사 시와 비행 중에 발생하는 소음에 의한 음향 환경과 이에 의해 주로 유발되는 불규칙적인 진동 환경, 위성체 분리 시 파이로에 의해 발생하는 충격 환경도 고려됩니다. 

 위성체에 대한 강성 요구 조건도 발사체가 제공하며 축 방향과 횡 방향으로 주어집니다. 임무 탑재체는 위성체와의 공진이 생기지 않아야 하며, 특히 태양 전지판이 전개된 상태의 강성은 위성체가 기동한 후 안정시키는데 소요되는 시간과 밀접한 관련이 있어 일정 수준 이상이 요구됩니다. 

 구조 부재의 강도는 하중이 작용할 때 파손되지 않아야 하나, 예기치 않은 하중 조건이 발생할 수 있기 때문에 작용 하중에 안전 계수를 곱하여 구조 해석을 합니다. 

 

3. 인공위성에 사용되는 재료

 인공위성 구조체의 재료를 선정할 때는 항공기에 사용되는 것과 유사한 재료를 사용하나 무게를 줄이는 것이 매우 중요합니다. 특히 재료 내부에 공기가 함유되지 않아야 합니다. 구조 설계를 시작하게 되면 기본적인 구조 형태, 재료, 조립 방법 등을 정하게 되는데, 이때 무게, 비용, 위험도 등을 분석합니다. 구조용 재료는 금속, 비금속, 복합 재료를 모두 사용하게 되며 용도에 따른 강성, 강도, 밀도, 열전도도, 열팽창 계수, 조립성, 결합 가용성, 내식성 등을 고려합니다. 

 사용되는 금속 재료로는 비강성이 높은 알루미늄 합금이 주료 사용되며 강도가 필요한 경우 강재나 티타늄 합금을 사용합니다. 재료의 형태는 주로 박판과 판재가 사용되나 발사체 연결부에는 단조재, 상하방향의 하중 경로에는 압출재가 사용됩니다. 판재로는 무게 대비 강성이 크며 굽힘 강도가 우수한 샌드위치 부재가 주로 사용됩니다.

 구조 요소를 연결하는 방법으로는 접착, 용접, 스크류와 같은 패스너 등을 사용합니다. 복합재료의 경우 접착에 의해 고정된 피팅을 통해 연결됩니다. 용접은 강성이 필요한 경우에 사용되나 용접부 근처의 물성 값을 변화시키게 되므로 가능한 한 사용하지 않습니다. 추진체 공급을 위한 배관의 연결에는 용접이 사용됩니다. 

 리벳, 볼트와 같은 패스너는 피팅의 두께, 적정 간격, 끝단거리 등을 고려하여 사용 여부 등을 정합니다. 볼트의 체결을 위한 토크 값은 강성을 유지하고 파손을 방지하기 위해 예압을 주며 사용 중 진동 등에 의해 풀리지 않도록 너트나 인서트 등의 잠금장치를 같이 사용합니다. 

 요구 조건에 따라 위성체 설계가 이루어지면 구조 해석을 수행합니다. 일반적으로 유한요소해석을 이용한 해석이 이루어지며 강성 해석을 우선적으로 수행하여 만족 여부를 확인합니다. 설계된 태양 전지판에도 마찬가지로 강성 해석과 전개가 원활히 이루어지는가에 대한 전개 해석을 수행합니다. 그다음으로는 위성체가 직면하는 여러 환경에서 구조 부재가 안전한 지를 확인합니다.  최종적으로는 위성체 유한요소 모델을 발사체 모델과 결합하여 위성이 궤도상에서 열 환경의 변화에 따라 장착된 임무 탑재체가 다른 방향을 바라보게 되는지를 확인합니다. 

 설계와 해석이 끝나면 그 다음으로 열 구조 모델을 만들게 됩니다. 열 구조 모델은 제작성을 검증함과 동시에 실제 비행 하중보다 더 높은 하중을 부여하여 설계된 구조 부재가 안전한 지를 확인합니다. 또한 열 진공 시험을 통해 열 제어 성능도 동시에 확인합니다. 열 구조 모델을 통해 검증이 이루어지면 비행 모델을 만들어 구조 시험을 수행합니다. 

 이러한 과정을 거쳐 만들어진 인공위성은 발사체에 실려 발사되어 임무를 수행하게 됩니다. 위성이 개발되던 초기에는 태양 전지판이나 안테나 등의 전개 기구가 정상적으로 작동하지 않는 문제가 많이 발생했으나 최근에는 신뢰성이 높아져 구조체에 의한 실패는 거의 발생하지 않고 있습니다. 

 

다음 시간에는 항공기 등에 사용하는 금속재료 및 복합재료와 재료의 결함 검사 등에 대해 알아보겠습니다.